高 陽, 郭海平, 程樂利, 許長福, 張 方, 印森林, 彭壽昌, 李映艷

(1.中國石油新疆油田分公司 勘探開發(fā)研究院，新疆 克拉瑪依 834000；2.中國石油新疆油田分公司 吉慶油田作業(yè)區(qū)，新疆 克拉瑪依 834000；3.長江大學 錄井技術與工程研究院，湖北 荊州 434023；4.中國石油新疆油田分公司 準東采油廠，新疆 阜康 831511)

頁巖油氣作為非常規(guī)油氣資源重要類型之一，已成為油氣增儲上產的“重點領域”與“亮點類型”[1]。在頁巖油開發(fā)評價過程中，水平井+壓裂的開發(fā)模式是近年來頁巖油開發(fā)取得成功的關鍵方法[2]；而開發(fā)井水平段的“甜點”鉆遇率和分段壓裂方案的優(yōu)化設計，一直是困擾頁巖油開發(fā)效果的重要問題。

頁巖油氣儲層的“甜點”分布十分復雜，橫向連續(xù)性差、縱向單層厚度薄[3-4]，且?guī)r性復雜多樣，多為碎屑沉積和化學沉積的過渡性巖類，常規(guī)的測錄井手段難以較好地識別“甜點層”[5-10]。氣測和鉆時曲線特征不明顯、地層對比難，在鉆進過程中實施導向難度大[11-13]。目前在水平井鉆進過程中，國內主要采用綜合錄井+MWD等技術進行隨鉆地質導向[2]。作為實驗室技術引入到鉆探現場的典型代表，元素錄井技術可視為巖屑錄井的延伸，已被廣泛應用于水平井地質導向中。經實踐證實，元素錄井技術在巖性識別方面可有效避免資料多解性，且具有實時性和時效性強的特點[14]，可解決無測井資料情況下的巖性識別問題[15]，有效提升頁巖氣[16]、礁灘體[17]等復雜勘探對象[18-19]的地質導向成功率。

地層脆性指數的分布是分段壓裂方案優(yōu)化的主要依據，目前最可靠的地層脆性指數評價是聲波法，即通過泊松比、彈性模量等巖石力學參數的綜合分析計算巖石脆性指數[20]。該方法精度較高，但依賴陣列聲波或偶極聲波測井資料[21]，有著成本高的缺點。通過巖石礦物組分來計算巖石脆性指數是脆性評價的另一種主要方法，特別是高采樣精度的元素錄井數據，用于計算脆性指數有著天然的優(yōu)勢。元素分析資料是巖石礦物組分的直接響應[22]，其脆性指數計算結果與ECS測井解釋結果對應良好[23]，在頁巖氣勘探中已得到了成功的應用[24-25]。而使用元素錄井技術對頁巖油儲層進行脆性評價尚未見報道。

針對上述問題，本文以準噶爾盆地吉木薩爾凹陷蘆草溝組頁巖油儲層為例，在巖屑錄井資料基礎上，結合XRF技術，對元素錄井技術在頁巖油水平井開發(fā)中的應用前景進行研究。

1 研究區(qū)概況

吉木薩爾凹陷位于新疆準噶爾盆地東部，在下石炭統褶皺基底上覆蓋了一套自二疊系至第四系的沉積地層[3-4]。目的層二疊系蘆草溝組沉積期為快速穩(wěn)定裂陷階段，沉積物主要為富含有機質的淤泥或粉砂質淤泥；該時期沉降速率大于沉積速率，形成了一套陸源碎屑物質、碳酸鹽組分和少量火山碎屑混積的復雜巖類[3-10]；沉積水體較深且分層結構明顯，為深湖-半深湖環(huán)境下的一套混積巖[3-5]；礦物的成分包括石英、鉀長石、斜長石、方解石、白云石、赤鐵礦、黃鐵礦、菱鐵礦、方沸石、濁沸石以及黏土礦物等多種礦物類型，構成了復雜的混積巖[6,9-10]。通過對研究區(qū)重點井(J174)的高精度XRF掃描(采樣間距≤0.12 m)，蘆草溝組中主要以Si、Ca、Al、Mg、K、Mn、Fe、P為主，其相對含量(本文均為質量分數w)依次遞減(圖1)。

2 基于元素錄井技術的巖性分類

2.1 混積巖的巖性分類方案

利用元素錄井進行巖性解釋的本質是，利用元素錄井手段獲取巖石的地球化學性質在元素分析儀器上的相應特征，將不同元素相應特征與相應的礦物種類相結合，最終分析地層巖石的巖性特征[26-27]。巖性分類的正確與否，直接決定了解釋方案的應用效果。

圖1 吉木薩爾凹陷蘆草溝組的元素含量分布直方圖Fig.1 Histogram of element distribution of Lucaogou Formation in Jimsar Sag

蘆草溝組巖性以細粒級粉細砂巖和薄層碳酸鹽巖為主，且多為二者之間的過渡性巖類，在巖心上常見二者呈互層狀，縱向上的巖性變化復雜[5-10]。吉木薩爾頁巖油作為國內近年來的勘探熱點，吸引了大量學者參與這一地區(qū)的研究工作，對于蘆草溝組的巖性劃分提出了多種方案(表1)。

表1 吉木薩爾凹陷蘆草溝組巖性劃分方案Table 1 Lithology division scheme of Lucaogou Formation in Jimsar Sag

考慮到蘆草溝組巖性的發(fā)育特征、成因類型、巖性對物性的控制作用以及現場分類方案的可操作性，本文采用匡立春等[6]的分類方案，將其主要巖性分為6種：泥巖類、長石巖屑粉細砂巖類(基本不含碳酸鹽礦物)、云質/鈣質粉細砂巖類(合稱粉細砂巖)、云屑砂巖類、砂屑云巖類、泥晶/微晶云巖類(合稱云巖)。

2.2 XRF巖性識別方法

結合XRF資料的數據特點，總結了如下3種方法。

2.2.1 圖譜法

蘆草溝組中的主要巖性為細粒級粉細砂巖和薄層碳酸鹽巖及其過渡巖類。結合前述的混積分類方案，Si、Al、K元素可代表陸源碎屑含量，而Ca、Mg、Mn元素可代表碳酸鹽礦物含量。通過觀察Si、K、Al、Ca、Mg、Mn這6種元素的含量變化圖譜，可以大致判斷巖性(圖2)。

長石巖屑砂巖的元素含量圖譜特點為：極低的Ca、Mg、Fe元素值，Si值較高，Al、K值極高。即基本不含碳酸鹽礦物，陸源碎屑組分極為發(fā)育。Si值較高和Al、K值極高，說明陸源碎屑組分中長石含量較高，這與長石巖屑砂巖較好的物性相一致。

粉細砂巖的元素含量圖譜特點為：Ca、Mg值較低，Si值極高，K、Al值極低。Si值極高和K、Al值極低，說明陸源碎屑組分中以石英為主，長石含量少，與粉細砂巖的物性較差相匹配。

泥巖的元素含量圖譜特點為：K、Al、Ca、Fe值較高，Mg、Si值較低。

白云巖的元素含量圖譜特點為：K、Al、Si值極低，而Mg、Ca值高。說明陸源碎屑組分極少，以碳酸鹽礦物為主。

云屑砂巖的元素含量圖譜特點為：Mg、Ca值較高，而Si、Al、K值較低。元素分布特征說明陸源碎屑與碳酸鹽礦物共存。

砂屑云巖的元素含量圖譜特點與云屑砂巖類似，但前者的Si值含量較后者要低，而Ca、Mg值更高，說明前者的碳酸鹽礦物含量較陸源碎屑要高，而后者以陸源碎屑含量占優(yōu)。

圖譜法的優(yōu)點在于能夠快速直接地凸顯新元素的出現，在巖性突變面的卡層過程中[2,18-19]可以第一時間為現場地質人員提供預警；但該方法在以過渡巖類為主的混積巖中的應用效果不佳。其缺點在于，一些主元素(如Si、Ca)的含量在圖譜特征上的變化并不明顯，難以通過肉眼直接判斷，較為依賴主觀經驗得到分析結論。

2.2.2 數值法

通過對J174井蘆草溝組取心段精細巖心描述成果的整理，統計得到了6種巖性的主元素含量(表2)。6種主要巖性的兩類元素組合變化趨勢為：從上往下，代表陸源碎屑組分的元素(Si、K、Al)含量依次升高，而碳酸鹽礦物組分的元素(Ca、Mg、Fe)依次降低。

在實際應用中，數值法比圖譜法更為準確。如果通過鉆前精細地層對比，掌握了目的層的巖性-元素變化特征，在實際鉆進過程中結合元素錄井和巖屑描述數據進行對比分析，可以較為準確地進行地層卡層和巖性定名。但該方法對于樣本代表性要求較高，要求在元素分析之前進行精細挑樣，對于巖性變化簡單的厚層的識別效果好；而對于過渡巖類頻繁薄互層發(fā)育的混積巖，元素數值變化并不明顯[27]。

2.2.3 曲線法

曲線法在應用時綜合了元素數值和曲線變化的信息，是元素錄井解釋最常用的方法[16-17]。由于巖屑在井底隨泥漿返回地面過程中受較多的客觀環(huán)境影響，如井眼規(guī)則性等，地質人員得到的巖屑是正鉆地層及其上一定深度地層的混合樣，因此利用巖屑分析得到的元素含量數據實質上是一系列的平滑曲線，其曲線形態(tài)仍然保留了地層變化的關鍵信息。具體做法為，在鉆遇薄層巖層時，以目標曲線的突變點為頂界，以下一突變點為底界；在鉆遇厚層巖層時，頂界仍為曲線突變點，而底界則為曲線的趨勢拐點[27]。

圖2 蘆草溝組不同巖性圖譜特征Fig.2 Characteristics of different lithology graphs of Lucaogou Formation

表2 蘆草溝組6種巖性的主元素含量(w/%)Table 2 Major element content of six types of lithologies from Lucaogou Formation

對混積巖而言，通過對比分析陸源碎屑含量曲線(Si、Al、K)和碳酸鹽含量曲線(Ca、Mg、Mn)的變化，可以快速便捷地進行巖性定名。本次采樣獲得的J174井蘆草溝組高精度元素分布曲線，可以為混合樣條件下的XRF曲線分析提供標準的對比依據(圖3)。

3 地層對比及關鍵層位特征

通過對吉木薩爾凹陷蘆草溝組的地層特征、巖性特征、測井響應特征、地震資料、地球化學資料等綜合分析，劃分出9個標志層，其中上“甜點”體標志層5個，下“甜點”體標志層4個(表3)。

將蘆草溝組第一段第一層(P2l11)分為3個小層，分別為P2l11-1、P2l11-2、P2l11-3，總厚度為56 m，巖性主要為灰色泥質白云巖和白云質泥巖。將蘆草溝組一段第二層(P2l12)分為P2l12-0、P2l12-1、P2l12-2、P2l12-3、P2l12-4、P2l12-5、P2l12-6、P2l12-7共8個小層，其中P2l12-1、P2l12-2、P2l12-3、P2l12-4、P2l12-5、P2l12-6再各自細分為2個次小層，分別為P2l12-1a、P2l12-1b、P2l12-2a、P2l12-2b、P2l12-3a、P2l12-3b、P2l12-4a、P2l12-4b、P2l12-5a、P2l12-5b、P2l12-6a、P2l12-6b(表3)。P2l12-0厚2.35 m，巖性為灰色白云質粉砂巖；P2l12-1a厚3.05 m，巖性主要為灰色白云質粉砂巖；P2l12-1b厚1.86 m，巖性主要是灰色細晶白云巖和泥巖；P2l12-2a厚6.74 m，主要是灰色白云質砂巖和灰色白云質粉細砂巖；P2l12-2b厚5.75 m，自下而上巖性依次為泥巖、灰色白云質粉細砂巖、細砂巖；P2l12-3a厚4.05 m，灰色白云質粉細砂巖與泥巖互層；P2l12-3b厚4.71 m，底部為灰質泥巖，上部為灰色白云質粉細砂巖；P2l12-4a厚2.49 m，巖性為泥巖；P2l12-4b厚5.55 m，巖性為灰色粉砂質白云巖；P2l12-5a厚5.45 m，巖性為灰色粉砂質白云巖；P2l12-5b厚4.56 m，巖性為灰色粉砂質泥巖；P2l12-6a厚9.49 m，巖性為灰色泥巖；P2l12-6b厚7.8 m，底部為泥巖，上部為白云質粉細砂巖夾灰質泥巖；P2l12-7厚34.36 m，巖性為泥巖夾灰色細晶白云巖和灰色粉晶白云巖。

以上述標志層在空間上的分布為框架，結合等時地層對比模式，依據沉積旋回對全區(qū)進行了精細地層對比。最終以閉合的三維地層對比結果為精細地層框架，為實鉆中的地質導向提供了參考依據。

4 應用實例

4.1 水平井導向應用實例

目前蘆草溝組頁巖油開發(fā)的主要對象為P2l12-2a小層，其主要巖性為長石巖屑粉細砂巖(圖4)，該小層的元素含量曲線特點表現為高K、Si、Al和低Ca、Mg、P。向上鉆出該層的元素含量曲線特點主要為低K、Si、Al和高Ca、Mg、P，而向下鉆出該層的元素含量曲線特點主要為低K、Si、Al和高Ca、Mg、P。鉆出該層的元素含量曲線區(qū)別主要為P元素，即K、Si、Al含量降低和Ca、Mg元素升高即為出層，而P元素不變?yōu)樯洗┏鰧樱?P元素升高為下穿出層。

圖3 元素含量隨巖性變化及巖層厚度變化示意圖Fig.3 Diagram of element content change with lithology and thickness of rock layer

圖4 蘆草溝組上“甜點”元素導向示意圖Fig.4 Schematic diagram of dessert element orientation for the Lucaogou Formation

A井為研究區(qū)的已經完鉆的水平井，目的層為蘆草溝組上“甜點”P2l12-2a小層，相當于J174井 3 267～3 274 m油層井段，厚度7 m。設計a、b、c靶點垂直深度分別為 2 650.00 m、3 030.00 m、3 090.00 m，a-b、b-c靶點之間的水平位移分別為352.80 m、1 639.10 m，要求水平段在目的層頂界以下2～4 m按穩(wěn)斜角89°鉆進。在水平段 3 578.00～3 614.00 m深度鉆到目的層，元素含量曲線表現為K、Si、Al元素降低和Ca、Mg、P元素同時升高(圖5)，判斷為向下出層。后經完鉆后的井-震對比證實，該處發(fā)育一條小規(guī)模逆斷層，在該處地層抬高，造成地層缺失。

4.2 脆性評價應用實例

研究區(qū)測井資料脆性評價的統計結果顯示[21]，砂屑云巖、云屑砂巖、微晶云巖的整體脆性較好，而泥晶云巖和長石巖屑砂巖的脆性中等，炭質泥巖和泥巖的脆性最差。對比上述巖類及蘆草溝組的主要礦物類型，可以發(fā)現碳酸鹽礦物為巖石的主要脆性礦物。據此，以研究程度較高的J174井為對象，在XRD錄井資料中提取碳酸鹽礦物指數，在XRF錄井資料中提取碳酸鹽元素指數，分別計算了該井的脆性指數分布。計算結果顯示(圖6)， XRD脆性指數由于數據密度過小的原因，匹配效果不佳；而XRF脆性指數與測井脆性指數的總體變化趨勢基本相同，證明利用高精度的元素錄井資料進行頁巖油脆性評價的方法效果良好。

圖5 A井水平段導向效果圖Fig.5 Guide effect of horizontal section of Well A

5 結 論

a. 從混積巖的巖石學特征出發(fā)，將蘆草溝組劃分為6大類巖性，利用XRF資料提出了利用圖譜法、數值法和曲線法來輔助隨鉆巖性分層定名。結合精細地層對比資料，總結了蘆草溝組主要標志層的元素響應特征，并以此為地質導向的輔助判別手段，在實際鉆進過程中效果良好。

b. 在基于脆性礦物分布的地層脆性評價中，高精度的元素錄井資料可以實現與ECS測井資料相當的評價效果，但在實時性和經濟性方面更具優(yōu)勢。

c. 實現元素錄井資料指導地質導向和地層脆性評價，關鍵點在于元素錄井資料的高精度采樣分析，體現了在地質錄井工作中進一步發(fā)掘已有資料的價值，也契合了現有油氣勘探行業(yè)的經濟效益追求。